2025年纳米检测技术考试试卷及答案

2025年纳米检测技术考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种纳米检测技术的横向分辨率最高？A.扫描电子显微镜（SEM）B.原子力显微镜（AFM）C.透射电子显微镜（TEM）D.动态光散射（DLS）2.用于表征纳米颗粒表面电荷的常用参数是？A.水合粒径B.Zeta电位C.比表面积D.结晶度3.拉曼光谱在纳米检测中常用于分析材料的：A.元素组成B.晶体结构C.分子振动模式D.表面形貌4.采用X射线光电子能谱（XPS）检测纳米材料时，主要获得的信息是：A.表面元素的化学态B.内部晶体缺陷C.颗粒分散性D.热稳定性5.动态光散射（DLS）测量纳米颗粒粒径时，其理论基础是：A.米氏散射B.瑞利散射C.布里渊散射D.拉曼散射6.原子力显微镜（AFM）的接触模式适用于表征：A.柔软生物纳米样品B.硬质无机纳米材料C.易形变的高分子纳米膜D.液体环境中的纳米结构7.纳米孔单分子检测技术的核心原理是：A.电流阻断效应B.荧光共振能量转移C.表面等离子体共振D.磁珠标记追踪8.用于纳米材料比表面积测定的经典方法是：A.BET吸附法B.激光衍射法C.库尔特计数法D.热重分析法（TGA）9.以下哪种技术可实现纳米颗粒的三维形貌重构？A.扫描隧道显微镜（STM）B.聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）C.紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）D.电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）10.纳米毒性检测中，评估纳米颗粒细胞摄取效率的常用方法是：A.流式细胞术结合荧光标记B.透射电镜观察细胞内颗粒C.实时定量PCR检测基因表达D.酶联免疫吸附试验（ELISA）二、填空题（每空1分，共20分）1.透射电子显微镜（TEM）的分辨率主要受限于________和________，目前先进场发射TEM的点分辨率可达________以下。2.纳米颗粒的粒径分布通常用________（缩写）表示，其值越接近1，说明粒径分布越________。3.表面增强拉曼散射（SERS）的增强机制主要包括________和________，其中________机制与金属纳米结构的局域表面等离子体共振密切相关。4.扫描探针显微镜（SPM）家族中，________用于导电样品的表面形貌和电子态检测，________可在液体环境中高分辨率成像生物纳米样品。5.纳米孔检测技术中，固态纳米孔的优势是________和________，而生物纳米孔（如α-溶血素）的优势是________。6.纳米材料成分分析中，能量色散X射线谱（EDS）常用于________，而电子能量损失谱（EELS）可提供________和________信息。7.热重-差示扫描量热联用（TG-DSC）技术可同时测定纳米材料的________和________，用于分析其________（如分解温度、相变点）。三、简答题（每题8分，共40分）1.比较原子力显微镜（AFM）的接触模式、轻敲模式和非接触模式在纳米检测中的适用场景及优缺点。2.说明动态光散射（DLS）测量纳米颗粒粒径时的关键影响因素，并提出3种提高测量准确性的方法。3.简述X射线衍射（XRD）在纳米材料表征中的应用，包括可获得的信息、对样品的要求及与透射电镜（TEM）衍射的区别。4.纳米孔单分子检测技术中，如何通过电流信号区分不同种类的单分子（如DNA碱基或蛋白质）？请结合信号特征（如幅度、持续时间）具体说明。5.列举3种用于纳米材料表面官能团分析的检测技术，分别说明其原理及适用的官能团类型（如羟基、氨基、羧基）。四、综合分析题（每题15分，共30分）1.某实验室合成了一批金纳米棒（长径比约5:1，平均长度80nm），需完成以下检测任务：（1）形貌观察（确认长径比及分散性）；（2）表面电荷测定；（3）表面是否修饰氨基（-NH₂）；（4）溶液中纳米棒的水合粒径分布。请为每个任务选择最适合的检测技术，并详细说明选择依据及实验操作要点。2.某纳米药物载体（聚乳酸-羟基乙酸共聚物，PLGA纳米粒，粒径约200nm）需进行生物相容性评价，涉及以下检测指标：（1）细胞摄取效率；（2）细胞内分布（是否进入溶酶体）；（3）急性细胞毒性；（4）纳米粒在血清中的稳定性（是否聚集）。请设计检测方案，包括技术选择、样品预处理、关键实验步骤及数据判读标准。五、实验设计题（30分）设计一个实验方案，用于表征“石墨烯量子点（GQDs）的尺寸分布、表面官能团、荧光特性及与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用”。要求：（1）明确各检测目标对应的技术；（2）详细描述实验步骤（包括样品制备、仪器参数设置、数据采集与分析方法）；（3）列出关键注意事项（如避免污染、消除干扰因素等）。答案及解析一、单项选择题1.C（TEM的理论分辨率可达0.1nm以下，是目前分辨率最高的常规电镜技术）2.B（Zeta电位直接反映纳米颗粒表面电荷密度，影响其分散性和生物相容性）3.C（拉曼光谱通过分子振动/转动能级跃迁检测分子结构）4.A（XPS通过光电子结合能分析表面元素的化学态，如氧化态、配位环境）5.B（DLS基于瑞利散射理论，适用于粒径小于入射光波长1/10的颗粒）6.B（接触模式下探针与样品直接接触，适合硬质样品，避免软样品形变）7.A（纳米孔检测通过单分子通过孔道时引起的电流阻断信号进行识别）8.A（BET法基于氮气吸附-脱附等温线计算比表面积，是国际标准方法）9.B（FIB-SEM通过离子束逐层切割并电镜成像，可重构三维结构）10.A（流式细胞术结合荧光标记可定量分析细胞摄取的纳米颗粒比例）二、填空题1.电子波长、像差校正技术、0.1nm2.PDI（多分散指数）、均匀3.电磁增强、化学增强、电磁增强4.扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）5.尺寸可控、稳定性高、单分子识别特异性强6.元素定性/半定量分析、元素价态、化学键7.质量变化、热量变化、热稳定性三、简答题1.接触模式：探针与样品表面持续接触，通过检测表面形貌引起的悬臂形变量成像。适用于硬质、表面平整的样品（如硅片、金属纳米结构）。优点：成像速度快、分辨率高；缺点：探针易磨损，软样品（如生物膜）易被划伤。轻敲模式：探针在样品表面上方振动，通过间歇性接触减少摩擦力。适用于软质或易形变样品（如高分子薄膜、细胞）。优点：减少样品损伤；缺点：成像速度较慢，对环境振动敏感。非接触模式：探针不接触样品，通过检测范德华力等长程力成像。适用于超光滑表面（如石墨、云母）。优点：无样品损伤；缺点：分辨率较低（通常仅适用于原子级平整表面）。2.关键影响因素：（1）颗粒浓度：过高易导致多重散射，过低信号弱；（2）溶液黏度：影响布朗运动速度，需准确输入黏度参数；（3）温度稳定性：温度波动导致扩散系数变化；（4）颗粒形状：DLS假设颗粒为球形，非球形颗粒（如纳米棒）测量结果为等效hydrodynamicdiameter。提高准确性的方法：（1）优化样品浓度（通常10⁻⁹~10⁻¹²mol/L），通过预实验调整至散射光强适中；（2）使用恒温样品池（温度波动＜0.1℃），并准确输入溶液黏度（如纯水25℃时黏度为0.89mPa·s）；（3）对非球形颗粒，结合电镜（如TEM/SEM）测量实际尺寸，与DLS结果对比校正；（4）采用多角度DLS（MADLS），减少角度依赖性误差。3.XRD应用：（1）可获得信息：晶体结构（如晶型、晶格常数）、晶粒尺寸（通过谢乐公式计算）、结晶度（通过衍射峰与非晶包的面积比）；（2）样品要求：粉末或薄膜，需研磨至粒径＜5μm（避免择优取向），厚度均匀（通常0.1~1mm）；（3）与TEM衍射的区别：XRD为体相平均结果（检测体积~1mm³），TEM衍射为微区分析（检测区域~10nm²）；XRD可定量分析晶相比例，TEM衍射适合分析纳米颗粒的单晶性或多晶结构。4.电流信号区分原理：（1）幅度差异：不同分子的尺寸、电荷密度不同，通过纳米孔时阻断的电流幅度不同（如DNA碱基中，鸟嘌呤（G）比胸腺嘧啶（T）体积大，电流阻断更明显）；（2）持续时间差异：分子通过纳米孔的速度与分子长度、形状有关（如单链DNA比双链DNA通过速度快，持续时间短）；（3）特征波动：某些分子（如蛋白质）的构象变化会导致电流信号出现特征性波动（如抗体的Fab段与抗原结合时，电流阻断幅度出现周期性变化）。5.（1）傅里叶变换红外光谱（FTIR）：通过分子官能团的振动吸收（如O-H在3200~3600cm⁻¹，N-H在3300~3500cm⁻¹，C=O在1650~1750cm⁻¹）检测。适用于所有含极性键的官能团（羟基、氨基、羧基等）。（2）X射线光电子能谱（XPS）：通过官能团中元素的结合能偏移检测（如羧基中的O1s结合能比羟基高约1.5eV）。适用于表面官能团（检测深度~10nm）。（3）核磁共振波谱（NMR）：通过官能团中氢/碳核的化学位移（如氨基的¹HNMR在1~5ppm，羧基的¹HNMR在10~13ppm）分析。适用于溶液中纳米颗粒表面接枝的有机官能团。四、综合分析题1.（1）形貌观察：选择透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）。TEM分辨率更高（可清晰观察80nm金纳米棒的长径比），操作要点：样品需稀释（避免团聚），滴加在铜网碳膜上，自然干燥后观察；SEM适合表面形貌，但需喷金（金纳米棒本身导电，可免喷），操作要点：控制加速电压（5~10kV）避免电子束损伤。（2）表面电荷测定：选择Zeta电位仪（基于电泳光散射原理）。操作要点：样品分散在去离子水中（电导率＜100μS/cm），调节pH至生理条件（pH7.4），测量3次取平均，注意温度恒定（25℃）。（3）表面氨基修饰：选择傅里叶变换红外光谱（FTIR）或X射线光电子能谱（XPS）。FTIR可检测N-H伸缩振动峰（3300~3500cm⁻¹）和弯曲振动峰（1550~1650cm⁻¹）；XPS可检测N1s峰（结合能~399.5eV，对应氨基）。操作要点：FTIR需将样品与KBr压片（避免水峰干扰），XPS需检测表面区域（避免体相污染）。（4）水合粒径分布：选择动态光散射（DLS）。操作要点：样品浓度控制在10⁻¹⁰mol/L左右（散射光强适中），使用马尔文Zetasizer仪器，设置测量角度90°，温度25℃，重复测量5次，取PDI＜0.3为分散均匀。2.（1）细胞摄取效率：流式细胞术（荧光标记PLGA纳米粒，如共混荧光染料Cy5）。预处理：纳米粒与细胞共孵育（37℃，5%CO₂，24h），胰酶消化后离心洗涤；实验步骤：流式细胞仪检测荧光阳性细胞比例；判读标准：阳性率＞80%为高摄取效率。（2）细胞内分布：激光共聚焦显微镜（标记溶酶体（LysoTracker）和纳米粒（Cy5））。预处理：细胞爬片培养，共孵育后固定（4%多聚甲醛），染色溶酶体；实验步骤：共聚焦扫描（激发光640nm（Cy5）和488nm（LysoTracker）），分析荧光共定位（Pearson相关系数＞0.6为溶酶体靶向）。（3）急性细胞毒性：CCK-8法（检测细胞增殖活性）。预处理：纳米粒与细胞共孵育（6、12、24h），每孔加入CCK-8试剂；实验步骤：酶标仪测450nm吸光度；判读标准：细胞存活率＞80%为无显著毒性（ISO10993标准）。（4）血清稳定性：DLS测水合粒径变化（与PBS中粒径对比）。预处理：纳米粒分散于10%胎牛血清（FBS）中，37℃孵育0、2、4、8h；实验步骤：DLS测量各时间点粒径；判读标准：粒径增长＜20%且PDI＜0.3为稳定。五、实验设计题实验方案：石墨烯量子点（GQDs）的多参数表征1.检测目标与技术选择-尺寸分布：透射电子显微镜（TEM）+动态光散射（DLS）-表面官能团：傅里叶变换红外光谱（FTIR）+X射线光电子能谱（XPS）-荧光特性：荧光光谱仪（激发/发射光谱、量子产率）-与BSA相互作用：荧光猝灭实验（荧光光谱仪）+等温滴定量热法（ITC）2.实验步骤（1）尺寸分布表征-TEM样品制备：GQDs水溶液稀释至0.1mg/mL，取10μL滴加在铜网碳膜上，自然干燥（避免烘箱加热导致团聚）。-TEM参数设置：加速电压200kV，高分辨模式（HRTEM），拍摄至少50张照片。-数据处理：使用ImageJ软件测量500个颗粒的直径，统计粒径分布直方图（计算平均粒径和标准差）。-DLS测量：GQDs溶液（0.5mg/mL）装入石英比色皿，设置温度25℃，角度90°，测量3次取平均，记录水合粒径和PDI。（2）表面官能团分析-FTIR样品制备：GQDs冷冻干燥成粉末，与干燥KBr（质量比1:100）研磨混合，压片（压力10MPa，保持30s）。-FTIR参数设置：扫描范围400~4000cm⁻¹，分辨率4cm⁻¹，扫描32次累加。-特征峰分析：3400cm⁻¹（O-H伸缩振动），1700cm⁻¹（C=O伸缩振动），1380cm⁻¹（C-OH弯曲振动），1620cm⁻¹（C=C骨架振动）。-XPS样品制备：GQDs溶液滴涂在干净硅片上（面积1×1cm²），真空干燥24h（避免氧化）。-XPS参数设置：单色AlKα源（1486.6eV），通能50eV，扫描步长0.1eV，校正C1s峰（284.8eV）。-分峰拟合：O1s峰（531.5eV对应C=O，532.5eV对应C-OH），确认羟基、羧基存在。（3）荧光特性检测-激发/发射光谱：GQDs溶液（0.01mg/mL）装入石英比色皿，荧光光谱仪设置：激发波长扫描范围200~500nm（发射波长固定为最大发射峰），发射波长扫描范围300~700nm（激发波长固定为最大激发峰）。-量子产率（QY）测定：以硫酸奎宁（QY=0.54，0.1MH₂SO₄溶液）为标准，测量GQDs和标准品的吸光度（A＜0.1，避免内滤效应）及积分荧光强度，按公式QY_GQDs=QY_std×(I_GQDs/I_std)×(A_std